乳清蛋白粉對凝固型酸奶品質的影響

付 麗,劉旖旎,陳丹雅,申曉琳,*

(1.河南牧業經濟學院食品與生物工程學院,河南鄭州 450046; 2.東北農業大學食品學院,黑龍江哈爾濱 150000)

酸奶具有獨特的風味、細膩的口感,不僅營養豐富,而且有助于腸胃蠕動,已成為世界上最受歡迎的發酵乳制品之一,對全球乳制品行業的發展起到了重要的推動作用。凝固型酸奶凝乳完整,組織光滑細膩,其組織狀態是消費者選購的最重要因素[1]。堅實度、持水力(Water-holding capacity,WHC)、流變學特性及微觀組織結構是評價凝固型酸奶品質的重要指標。當酸奶的狀態較差時會導致乳清分離,進而影響酸奶的質地,通過添加乳清蛋白粉(Whey protein powder,WPP)或者乳清蛋白濃縮物(Whey protein concentrate,WPC)可對凝固型酸奶的品質及穩定性進行改善[2]。

WPP是從牛奶中提取的蛋白質,以高純度、高吸收率和與人體骨骼肌中幾乎相同的氨基酸組成模式而被稱為“蛋白質之王”。當今企業在生產高蛋白酸奶的過程中,蛋白質含量和牛奶的熱處理是影響酸奶品質的兩個重要因素。在酸奶制造過程中,熱處理會導致牛奶中蛋白質變性,使蛋白質膠束產生交聯,形成可溶性的蛋白質復合物[3]。這些復合物的形成可顯著提高溶液的pH,從而影響酸奶的WHC和硬度[4]。乳清蛋白的添加可明顯減少酸奶中的乳清析出,并提高酸奶的凝固狀態。Lucey等[5]研究發現在熱牛奶中加入變性乳清蛋白可以減少酸奶的凝固時間,使加工出的酸奶硬度顯著提高。Hamarsland等[6]研究得出天然乳清蛋白粉是制作高蛋白酸奶最好的原料。Agarwal等[7]研究證明在牛奶中加入WPP可增加牛奶的蛋白質含量,進而提高制造高蛋白酸奶的可行性。也有許多研究表明,在牛奶中加入WPP可以提高凝固型酸奶的硬度,改善組織狀態[8-9],但是目前的研究都集中于乳清蛋白粉對酸奶性質的改變,而關于乳清蛋白粉和全脂乳粉不同配比的研究及不同配比對凝固型酸奶造成的影響還少有研究,本試驗在全脂乳粉中添加不同比例的乳清蛋白粉,通過研究不同添加量酸奶的各項指標,確定乳清蛋白粉的最適添加量。

目前,很多企業將WPP應用于酸奶加工中,但相關的理論研究不夠系統,本試驗針對乳清蛋白粉添加量對凝固型酸奶特性的影響,確定乳清蛋白粉的最適添加量。本試驗以不添加WPP的凝固型酸奶為對照組,將1%、1.5%、2%、2.5%、3%、4%、5%WPP加入全脂乳粉中生產酸奶,測定酸奶發酵完成冷藏后熟12 h后的滴定酸度、流變學特性、持水率、乳酸菌總數、質構、凝膠微觀結構及感官指標,研究不同添加量的乳清蛋白粉對凝固型酸奶品質特性的影響,以確定WPP最適添加量,為企業生產更加優質的凝固型酸奶提供一定的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

全脂乳粉(主要成分:生牛乳、大豆磷脂) DEVONDALE(德運)公司;乳清蛋白粉(型號WPC82008,乳清蛋白占干基的80%,耐熱型的乳清蛋白) 天津銀河偉業進出口有限公司;300型100DCU酸奶發酵菌 丹尼斯克公司;白砂糖、酸奶杯 河南牧業經濟學院畜產品研究室。

Haake Mars60高級旋轉流變儀 英國馬爾文儀器有限公司;SU3500掃描電子顯微鏡 日立高新技術公司;K850臨界點干燥儀 英國Quorum公司;BROOKFIELD-CT3質構儀 美國博勒飛公司;MSP-mini MAGNETRON SPUTTER磁控離子濺射儀 上海西努光學科技有限公司;ULVAC G-5DA 真空泵 Nano電子商城;LDZX-50KBS高壓殺菌鍋 上海申安醫療器械廠;FA224電子分析天平 上海舜宇恒平科學儀器有限公司;HH-S單列雙孔電子恒溫水浴鍋 邦西儀器科技上海有限公司;AM20V6電磁爐 中山市亞蒙電器制造有限公司;ROTINA380R臺式高速冷凍離心機 德國Hettich離心機制造公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 凝固型酸奶生產工藝流程 純凈水的制備→混合原料→加熱溶解→均質→殺菌→冷卻→添加發酵劑→灌裝→保溫發酵→冷卻→后熟及冷藏

1.2.2 基礎配方 以200 g凝固型酸奶為例:全脂乳粉20 g,純凈水200 mL,丹尼斯克的300型100DCU酸奶發酵菌0.02 g,白砂糖12 g。

1.2.3 凝固型酸奶制作工藝要點 在5～50 ℃條件下將添加量為0%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、4%、5%(總量為復原乳的用量)的乳清蛋白粉完全溶解后加入全脂乳粉和白砂糖，在60～65 ℃條件下用均質機對混合料液進行均質,均質條件為23 MPa,5 min。將均質完成的料液在90～95 ℃溫度條件下水浴殺菌5 min后冷卻至42 ℃,加入菌種攪拌2～3 min后進行灌裝。灌裝完成的酸奶在42～45 ℃溫度條件下放置6～8 h使發酵完成[9]。

1.2.4 不同WPP添加量對凝固型酸奶品質特性的影響 分別將WPP按照復原乳0%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、4%、5%的用量混勻后,于45～50 ℃溶解,將溶解后的樣品在10000 r/min條件下均質5 min,以使乳脂肪球破碎,避免在發酵及貯藏過程中出現脂肪上浮現象。均質后的樣品90～95 ℃殺菌5 min后冷卻至42 ℃,加復原乳0.01%的酸奶發酵菌,攪拌2～3 min使其混合均勻,發酵溫度43 ℃,發酵時間為7 h,發酵成熟的樣品放入4 ℃冰箱冷藏,以備各項指標的測定。

1.2.5 檢測指標

1.2.5.1 酸度的測定 根據《食品安全國家標準食品酸度的測定》GB 5009.239-2016[10]進行測定。

1.2.5.2 持水力(WHC)的測定 參照蔡自建等[11]和Sodini等[12]的方法并進行一定的改進。取30 g樣品于50 mL離心管中,在4 ℃條件下,4000 r/min冷凍離心20 min,棄去上清液,將沉淀稱重,按照下式進行計算。

WHC(%)=(m2/m1)×100

式中:m1為樣品的質量(g);m2為沉淀物的質量(g)。

1.2.5.3 脫水收縮作用敏感性(STS)的測定 參照廖文艷等[9]的方法。在10 ℃條件下,將50 g樣品置于漏斗過濾2 h,用燒杯收集濾液。按下式計算:

STS(%)=(乳清析出質量/樣品質量)×100

1.2.5.4 乳酸菌總數的測定 參照黃小丹等[13]對乳酸菌培養基優化的結果,使用改良的番茄汁培養基,按照GB4789.35-2016[14]乳酸菌檢驗中的檢測方法進行測定。

1.2.5.5 質構的測定 使用BROOKFIELD-CT3質構儀和TA-DEC探頭進行分析,設置形變量20%、測試速度10 mm/min、間隔時間為0 s,直徑38.1 mm的凝膠標準探頭分別測量硬度、膠著性、粘性指標[15]。

1.2.5.6 微觀結構的測定 在馬蓓[16]對掃描電鏡樣品前處理的方法的基礎上,參照Meletharayil等[17]的方法進行優化,對樣品進行前處理。具體操作步驟如下:

a. 取材與固定:挖取酸凝乳多塊放入平皿中;用手術刀片將其修整成3 mm×3 mm×5 mm的長條形;加入2.5%的0.1 mol/L磷酸緩沖戊二醛(加入量以沒過樣品一倍為準),放入冰箱4 ℃固定12 h。

b. 脫水與替代:固定后,用吸液管將固定液從平皿中輕輕吸出;緩慢向平皿中加入磷酸緩沖液直到沒過樣品,每10 min 更換緩沖液1次,反復3次;依次更替注入30%、50%、70%、80%、90%、100%(2次)無水乙醇進行梯度脫水,每個梯度脫水時間為15 min;取1 mL脫水后的酸乳裝入1.5 mL離心管中,酸乳上端與離心管管口的間隙用無水乙醇裝滿,封口4 ℃冷藏12 h。

c. 臨界點干燥:將無水乙醇從上述處理過后的離心管中輕輕吸出,用刀片切去離心管上端部分,留下離心管底部約8 mm的部分并裝入樣品籃中,將樣品籃放入事先冷卻好的臨界點干燥儀樣品室內;將臨界點干燥儀溫度調至35 ℃,壓力為1100 MPa。待干燥完畢后將微量泄壓閥打開,緩慢泄壓后取出樣品。

d. 導電處理:將干燥的樣品固定在樣品臺上,放入西努光學Cinv出產的全自動真空鍍膜機,設置鍍金時間1.5 min。待樣品鍍金完成后從樣品臺取出靜置至室溫。

e. 掃描電鏡觀察:將樣品臺放入掃描電鏡樣品室,抽真空至規定值后,調整加速電壓到15 kV,工作距離為10 mm,放大倍數為2000倍條件下觀察。

1.2.5.7 流變學特性的測定 采用流變儀測定10 g樣品的彈性模量G′和粘性模量G″,參照吳偉都等[18]的方法,將頻率固定在1 Hz,對酸奶進行應變掃描,確定酸奶的線性粘彈區,確定好參數后再對酸奶按照100 μm間距、25 ℃、上樣后平衡10 min、1%的應變及0.01～100 Hz的頻率掃描范圍對樣品進行頻率掃描。

1.2.5.8 感官評定 參照赫君菲[15]的研究方法,由10名具有食品專業學習背景的人組成評定小組,按照表1對酸奶的色澤、組織狀態、口感進行評價,結果采用百分制。

表1 感官評分標準(分)Table 1 Sensory scoring criteria(score)

1.3 數據處理與分析

每項指標均重復測定三次,結果表示為平均值±標準差。采用Sigmaplot 13.0軟件繪圖,采用SPSS Statistics 23.0統計分析軟件中的獨立樣本t檢驗法進行數據的顯著性,顯著性水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 不同添加量WPP對凝固型酸奶酸度的影響

不同添加量WPP對凝固型酸乳酸度的影響結果見圖1。

圖1 不同添加量WPP對凝固型酸奶酸度的影響Fig.1 Effect of different added amount of WPP on the degree of solidified acid lactate注:不同小寫字母表示不同組間 差異顯著(P<0.05),圖2～圖5同。

由圖1可見,對照組與不同添加量的實驗組均符合國家標準對于酸度的規定,隨著乳清蛋白粉添加量的增加酸度逐漸升高,當添加量達到2.5%以上時,酸奶滴定酸度比對照組顯著升高(P<0.05),這與蔣珊珊等[19]在聚合乳清濃縮蛋白對凝固型酸奶品質特性的影響中,酸度隨乳清蛋白的增加而增加的研究結果一致。原因可能是添加了乳清蛋白粉之后,減少了凝膠形成時間,并增加了體系中固形物含量,導致產酸能力增強,從而使酸奶的滴定酸度隨著乳清蛋白粉添加量的增加而增加[20-21]。

2.2 不同添加量的WPP對凝固型酸奶持水力的影響

不同添加量的WPP對凝固型酸奶持水力的變化見圖2。

圖2 不同添加量的WPP對凝固型酸奶持水力的影響Fig.2 Effect of different added amounts of WPP on water holding capacity of solidified yogurt

持水力是凝固型酸奶的重要質量指標之一。從圖2可知,加入WPP的酸乳持水力明顯上升,各處理組與對照組相比差異顯著(P<0.05)。添加量為2%的酸奶持水力從53.75%提高至74.44%,保水能力提升了20.69%。這與Puvanenthiran等[22]研究的乳清蛋白對酸奶質構和粘彈性的結果類似。這可能是因為WPP的添加使酸奶中的蛋白質含量增加,使乳清蛋白與K-酪蛋白相互作用，促進蛋白質均勻多孔網狀結構的形成,固定樣品中游離水的能力增加,蛋白質網絡可以保持大量的水,進而促進蛋白質與水的結合能力。Xu等[4]的研究表明,酸奶中加入乳清蛋白形成的蛋白質復合物有利于促進蛋白質網狀結構的形成。表明WPP的添加可以明顯提高酸奶的持水能力,提升酸奶的品質,在一定程度上可以改善酸奶在貨架期的穩定性。

2.3 不同添加量WPP對凝固型酸奶脫水收縮敏感性(STS)的影響

不同添加量WPP對凝固型酸奶脫水收縮敏感性(STS，%)的變化見圖3。

圖3 不同添加量WPP對凝固型酸奶 脫水收縮敏感性(STS)的影響Fig.3 Effect of different added amount of WPP on syneresis sensitivity(STS)of solidified yogurt

酸奶脫水收縮敏感性(STS)可以用來衡量酸奶品質的好壞,主要與酸奶的結構有關。酸奶的STS越高說明酸奶的結構越松散,水分子容易析出,造成酸奶品質和風味較差;相反,如果酸奶的脫水收縮敏感性越低,說明酸奶的結構越致密,水分子被牢固地鎖在體系中,不易析出,從而使酸奶的質量更好,有助于酸奶保持良好的穩定性。由圖3可見,對照組酸奶的STS為61.81%,處理組的酸奶STS明顯降低,差異顯著(P<0.05)。其中乳清蛋白粉添加量為5%的酸奶STS與對照組差異最為顯著,其STS為12.41%,相對于對照組降低了49.40%。這與酸奶持水力隨著乳清蛋白粉添加量的變化趨勢相呼應,原因可能是WPP加入酸奶中與酪蛋白膠束發生相互作用,使酸奶形成一個較為完整、均勻的結構,使水分子不易析出,從而降低了酸奶的脫水收縮作用[23]。

2.4 不同添加量WPP對凝固型酸奶質構特性的影響

凝固型酸奶的粘性、硬度和膠著性是評價酸奶組織結構和品質的重要指標,可以反映出凝固型酸奶自身的質構特性,因此通過測定不同添加量WPP凝固型酸乳的這些指標探究其對凝固型酸奶的質構特性影響。

不同添加量WPP對凝固型酸奶質構特性的影響見圖4。

圖4 不同添加量WPP對凝固型酸奶質構的影響Fig.4 Effect of different added amount of WPP on the texture of solidified yogurt

酸奶的口感與其硬度有很大的關系,硬度過低會導致酸奶凝塊困難,呈現稀軟狀態,硬度如果過大,酸奶會失去其特有的粘稠感,導致口感較差。而酸奶的硬度乳清蛋白的添加量密切相關。Mahomud等[24]研究發現脫脂奶粉(SM)+2%WPC制成的酸奶的硬度顯著提高。由圖4A可見,隨著乳清蛋白粉含量的增加,酸奶的硬度逐漸增加,添加量為3%以上的組別與對照組相比差異顯著(P<0.05),3%以上組別的酸奶硬度過大,酸奶的口感不良。不同乳清蛋白粉添加量實驗組與對照組相比均呈顯著差異(P<0.05),添加量為5%的酸奶與對照組差異最顯著(P<0.05),但其硬度偏高口感較差。因此添加量為1.5%、2%、2.5%組別的酸奶硬度最佳,口感適宜[25]。

粘性是評價酸奶口感的一個重要指標,由圖4B可見,隨著乳清蛋白粉添加量的升高,酸奶的粘性呈現先升高后下降的趨勢。相對照組的粘性0.37 mJ,添加了乳清蛋白粉的酸奶粘性顯著提升(P<0.05)。原因可能是酸奶在酸化的過程中,乳清蛋白與酪蛋白膠束中的K-酪蛋白相互作用形成可溶性蛋白復合物,從而增加了酸奶的粘性[26]。但是當乳清蛋白粉的添加量高于3%時,粘性開始下降,原因可能是體系中固形物達到一定量時,超過這個界限使酸奶中酪蛋白膠束不易形成,導致酸奶粘性下降。

酸奶的膠著性是酸奶TPA質構分析的一個重要指標,由圖4C可見,隨著乳清蛋白粉濃度的升高酸奶的膠著性逐漸升高,各處理組與對照組的膠著性相比顯著升高(P<0.05)。與酸奶的硬度呈現相似的結果。原因可能是隨著乳清蛋白粉含量的增加,酸奶的固形物增加,乳清蛋白與酪蛋白結合形成了較強的凝膠結構,聚集成較大的蛋白質復合物,提高酸奶的粘度和凝膠強度,增加酸奶的膠著性[27]。

2.5 不同添加量WPP對凝固型酸奶乳酸菌總數的影響

不同添加量WPP對凝固型酸奶乳酸菌總數的變化見圖5。

圖5 不同添加量WPP對凝固型酸奶乳酸菌總數的影響Fig.5 Effect of different added amount of WPP on the total number of lactic acid bacteria

根據國標《GB 19302-2010》中對于發酵乳中乳酸菌限量為≥1×106CFU/g,由圖5可見,對照組的乳酸菌總數為3.4×108CFU/g,滿足國標對于乳酸菌總數的規定,添加了乳清蛋白粉的酸奶組別乳酸菌總數均高于對照組,因此本試驗所有組別均符合國家標準對于乳酸菌總數的限量。并且隨著WPP含量的升高,乳酸菌總數呈現逐漸上升的趨勢,除了添加量為4%和5%的組別差異不顯著(P>0.05),其余組別均有顯著差異(P<0.05)。其中與對照組差異最顯著的組別是添加量為5%的酸奶,其乳酸菌總數為10.6×108CFU/g[24]。

2.6 不同添加量WPP對凝固型酸奶流變學特性的影響

不同添加量WPP對凝固型酸奶彈性模量G′和粘性模量G″隨頻率變化見圖6和圖7。

圖6 不同添加量WPP對凝固型酸奶彈性模量G′的影響Fig.6 Effect of different added amount of WPP on elastic modulus G′ of solidified yogurt

圖7 不同添加量WPP對凝固型酸奶粘性模量G″的影響Fig.7 Effect of different added amount of WPP on the viscous modulus G″ of solidified yogurt

彈性模量是指樣品發生形變時產生的力,是物質本身所固有的力,是衡量物質彈性的標桿,用G′來表示;粘性模量(損耗模量)G″指物質中損失的那部分力,用來衡量物質的黏性特征[25]。應用線性粘彈性理論研究了不同添加量乳清蛋白粉酸奶在形變范圍內的粘彈性質。由圖6可知,隨著WPP添加量的增加,彈性模量呈現逐漸增加的趨勢,這說明WPP添加量的增加提升了酸奶的彈性。這可能是因為蛋白質復合物中共價鍵的含量增加導致[28]。由圖7可知,隨著WPP添加量的增加,粘性模量呈現逐漸增加的趨勢,這說明增加WPP的含量,可以提升酸奶的粘性。從圖7可以看出,隨著頻率的增加,彈性模量G′和粘性模量G″先增加,在頻率升至7時,出現了一個平臺區,原因可能是當黏性應力響應值較小時酸乳只發生變形,不產生流動,因此形成平臺區,當應力至一定值后才出現流動。

綜合圖6和圖7來看,對照組和處理組的所有樣品的G′值都大于 G″,表明所有樣品都是彈性成分占優勢,樣品表現出類固體的特征,且對體系的水分有很好的固定作用。頻率掃描得到的彈性模量值,可以反映出酸乳的屈服應力與流動性,彈性模量值越大,樣品就越不易流動,酸乳的體系穩定性就越好。說明WPP的添加使酸奶的凝膠性質增強,并且隨著添加量的增加,酸奶的粘彈性越好[18]。

2.7 不同添加量WPP對凝固型酸奶凝膠微觀結構的影響

不同添加量WPP對凝固型酸奶凝膠微觀結構的影響見圖8。

圖8 不同添加量WPP對凝固型酸乳掃描電鏡的影響Fig.8 Effect of different addition amount WPP on scanning electron microscopy of solidified yogurts注:A、B、C、D、E、F、G、H分別為0%、1%、 1.5%、2%、2.5%、3%、4%、5%的酸奶。

以上為對照組和處理組在樣品處理之后上鏡觀察到的微觀結構圖,如圖8所示。從圖8中可以看出,未添加乳清蛋白粉的酸奶表面極不平整,表面有極大凸起[25]。而1%添加量的凝固型酸奶表面呈疏松的蜂窩狀結構,有少量大的結塊,凝膠不緊密;1.5%添加量的酸奶表面較平整,但是有較大的孔洞存在,2%處理組的酸奶表面平整,結構緊密有少量孔洞存在,但是整體結構均勻且完整。2.5%處理組酸奶表面出現顆粒物,這種顆粒物可能是因為蛋白質聚集導致,且隨著乳清蛋白粉含量的升高,表面顆粒物數量也逐漸增高,在5%處理組時可看到大團的蛋白質聚物。因此,與其他處理組相比,添加2%乳清蛋白粉的酸奶網絡結構更加連續、完整和均一[29]。

2.8 不同添加量的WPP對凝固型酸奶感官指標的影響

由表2可見,對照組酸奶綜合評分最低,添加WPP的酸奶均顯著高于對照組(P<0.05),對照組的酸奶的組織狀態很差,表面有水分滲出,口感有輕微磨砂感。2%處理組的酸奶綜合評分最高,該處理組表面無水分滲出,具有堅實感,擠壓時無流動性,酸奶表面光滑無顆粒和不規則物質。當WPP的添加量超過3%時,表面含水量逐漸降低,幾乎沒有乳清析出,但是酸奶的口感顯著降低(P<0.05),原因可能是WPP添加量的提高使酸奶過硬,口感較差;風味不好可能是WPP過高產生了屬于乳清蛋白的不良異味。由感官結果可以看出,隨著乳清蛋白粉的添加,酸奶的表面含水量逐漸減少,堅實感升高,乳清析出量逐漸減少,而光滑感和風味適口性都呈現先升高后減少的趨勢,其中最好的是2%的處理組。

表2 感官評分結果(分)Table 2 Sensory score results(score)

3 結論

添加不同含量WPP的凝固型酸奶的各項指標隨著WPP含量的不同也發生相應的變化。添加2% WPP時酸奶的保水能力提升了20.69%,與對照組相比差異顯著(P<0.05);微觀結構在WPP添加量為2%時呈現出連續、平整、均勻的網狀結構。酸度、持水力、脫水敏感性指標隨著乳清蛋白含量的增加均呈現緩慢上升趨勢。因此,在凝固型酸乳生產過程中可以添加2%的WPP來提升綜合品質。本實驗對生產高質量的凝固型酸奶具有一定的實際意義和借鑒價值。